来源 | International Journal of Heat and Mass Transfer

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127917

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背景介绍

现代电子器件集成度提升，热流密度从早期 < 10 W/cm² 增至当前超 1000 W/cm²，高散热需求成为电子制造瓶颈；微通道流动沸腾因传热面积大、结构紧凑成为优选方案，但存在气泡堵塞导致的流动不稳定、传热恶化问题。现有方案局限：表面改性（如激光加工）虽能增加成核位点，但激光烧蚀表面形态对开放微通道流动沸腾的影响尚不明确；开放微通道虽能降低压降，但气液相互作用弱，传热提升有限。

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成果掠影

近日，南京理工大学陈雪梅、李强团队提出激光烧蚀表面与开放微通道协同增强传热的策略。先通过平面表面实验确定最优激光参数（激光模式 1（横向，平行于流动方向）、烧蚀间距300μm)、部分烧蚀（仅下游区域） ），该参数使平面表面的核态沸腾起始点（ONB）壁面过热度降低 4.98℃ 、临界热流密度（CHF）提升 19.4% ；随后将该参数应用于开放微通道，在不同入口温度（5℃、25℃、45℃、65℃）和翅片高度（300μm、600μm、900μm）下实验，结果显示：激光改性微通道始终具备更低的壁面过热度和压降，其中入口温度 65℃（低过冷度）时平均两相传热系数提升最显著，达 153% ，且全工况下平均压降降低 17.8% ；最终证实激光烧蚀是一种简单有效的表面改性技术，可通过增加活性成核位点、改善润湿性，稳定流型并延缓沸腾危机，显著提升微通道流动沸腾传热与流动性能。研究成果“Enhanced flow boiling heat transfer through synergistic effects of laser-ablated surface and open microchannels”为题发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》。

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图文导读

图1.实验系统示意图。

图2.（a）测试部分的分解图;（b）横截面图;（c）微通道的俯视图;（d）侧视图上热电偶孔的位置。

图3.不同的热沉：（a）平面热沉;（b）微通道热沉。

图4. 不同的激光模式：(a) 激光模式1与激光模式2；(b) 三种不同Waw表面的扫描电子显微镜图像：(b1)-(b3) Waw = 100微米；(b4)-(b6) Waw = 300微米；(b7)-(b9) Waw = 500微米。

图5.不同激光烧蚀模式下qeff = 1452 kW/m²时的流型变化：（a）平坦表面;（b）激光模式1;（c）激光模式2;（d）气泡行为比较。

图6.气泡在三种不同表面上的行为，沿着进行相应的受力分析。

图7.（a）沸腾曲线和（b）不同类型平面的两相传热系数与有效热通量的函数关系。

图8.（a）沸腾曲线和（b）不同烧蚀间距的平板表面的两相传热系数与有效热流的函数关系。

图9.（a）不同烧蚀模式（b）不同Was时，作为有效热通量函数的平面压降。

图10.在Tinlet = 65 ℃，qeff = 826 kW/m²下激光烧蚀前后微通道中的流型变化：（a）光滑微通道;（b）激光微通道。

图11.不同入口温度下激光微通道内的流型变化：（a）Tinlet = 25 ℃，qeff = 1515 kW/m²;（b）Tinlet = 65 ℃，qeff = 826 kW/m²。

图12.在Tinlet = 25 μ m和Hf = 900 μm条件下激光烧蚀前后微通道中的流型转变：（a）qeff = 1196 kW/m²，光滑微通道;（b）qeff = 1196 kW/m²，激光微通道;（c）qeff = 1461 kW/m²，光滑微通道;（d）qeff = 1461 kW/m²，激光微通道。

图13.具有不同入口温度的微通道的流型图：（a）光滑微通道，（b）激光微通道。

图14.具有不同Hf的微通道的流型图：（a）光滑微通道，（b）激光微通道。

图15. Hf = 300 μm的微通道在不同入口温度下的沸腾曲线：（a）Tinlet = 5 ℃;（b）Tinlet = 25 ℃;（c）Tinlet = 45 ℃;（d）Tinlet = 65 ℃。

图16.不同入口温度下Hf = 300 μm的微通道的两相传热系数与有效热通量的函数关系：（a）Tinlet = 5 ℃;（B）Tinlet = 25 ℃;（d）Tinlet = 45 ℃;（e）Tinlet = 65 ℃。

图17.不同Hf的微通道在Tinlet = 25 ℃时的沸腾曲线：（a）Hf = 0 μm;（B）Hf = 300 μm;（c）Hf = 600 μm;（d）Hf = 900 μm。

图18.在Tinlet = 25 ° C时，不同Hf的微通道的两相传热系数与有效热通量的函数关系：（a）Hf = 0 μm;（b）Hf = 300 μm;（c）Hf = 600 μm;（d）Hf = 900 μm。

图19.在不同入口温度下，Hf = 300 μm的微通道的压降与有效热通量的函数关系：（a）光滑微通道;（b）激光微通道。

图20. Tinlet = 25 ℃时，不同Hf微通道的压降与有效热通量的函数关系：（a）光滑微通道;（b）激光微通道。

图21.不同微通道中的温度和压降波动：（a）底壁温度和（B）Hf = 300 μm时的压降，qeff = 1309 kW/ m² ;（c）底壁温度和（d）Hf = 900 μm时的压降，qeff = 1611 kW/m²。